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Graded InGaN buffers were employed to relax the strain arising from the lattice and thermal mismatch in GaN/InGaN epilayers grown on sapphire. An enhanced strain relaxation was observed in GaN grown on a stack of five InGaN layers, each 200 nm thick with the In content increased in each layer, and with an intermediate thin GaN layer, 10 nm thick inserted between the InGaN layers, as compared to the conventional two-step growth of GaN epilayer on sapphire. The function of the intermediate layer is to progressively relax the strain and to annihilate the dislocations that build up in the InGaN layer. If the InGaN layers were graded too rapidly, more dislocations will be generated. This increases the probability of the dislocations getting entangled and thereby impeding the motion of the dislocations to relax the strain in the InGaN layer. The optimum growth conditions of the intermediate layer play a major role in promoting the suppression and filling of the V-pits in the GaN cap layer, and were empirically found to be a thin 10 nm GaN grown at 750 0°C and annealed at 1000 0°C. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

A novel, no-contact approach to X-ray mirror bending control is presented here, proposed for use on the beamlines of the European X-ray Free Electron Laser (XFEL) project. A set of mirrors with tunable bending radii are desired, that will maintain their optical properties even as the beam incidence causes local heating. Various mechanical bending mechanisms have been proposed and used on other beamlines, which can take up a lot of physical space, demanding more vacuum power, while using expensive high precision servomotors. Rather than bend the mirror by mechanical means, it is proposed to heat the mirror to produce the desired bending. This could work two ways. One scenario calls for a finely tunable heat lamp to irradiate the back surface of the mirror while the X-ray laser heats the front side. With appropriate tuning, simulations show that this approach can keep the mirror flat, and perhaps produce a circular profile. The second scenario is similar to the first, but a thin film of tungsten is added to the back of the silicon mirror. This scenario calls for the temperature of the mirror to change homogenously to affect the desired bending, and in this case the profile should be cylindrical. In both scenarios the uneven nature of the incident radiation causes distortions that may be undesirable. Both scenarios are simulated and it is shown that the stress produced by a metal film may minimize this distortion. The response time of the mirror and configuration of both the heating and cooling mechanism are also considered.

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Batrachochytrium dendrobatidis (Bd) is a fungus that causes chytridiomycosis in amphibians. This fungus is an invasive species that has spread all over the world and is causing mass deaths in many areas. Bd has an efficient life cycle which targets suitable hosts and causes disturbances in amphibian osmoregulation and eventually death. It has caused more than 90 presumed extinctions worldwide. However, even though this fungus is commonly found in Sweden, no cases of chytridiomycosis has been found in the wild. This raises the questions i) what factors makes the infection in amphibians more severe and ii) does temperature affect the severity of Bd infection? According to the thermal mismatch hypothesis pathogens should be more efficient at temperatures where the performance gap between the host and pathogen is the widest. We chose the common toad as a study organism since it can be found all over Sweden and is generally considered to be adapted to colder climates. Our aim was to test the thermal mismatch hypothesis and see if the effect of infection differed between different temperatures. Common toad eggs were collected from two ponds in southern Sweden, raised in the laboratory and metamorphosed juvenile toads were reared in three different temperature rooms, either 14℃, 18℃ or 22℃. There they were either infected with Bd or exposed to a sham infection and monitored for 40 days. We show that Bd infection negatively affects growth and survival of common toads in accordance with previous studies. Furthermore, we found that temperature affects the effect of infection and shows patterns of the thermal mismatch hypothesis.

Among all existing fuel cell technologies, the planar solid oxide fuel cell (SOFC) is the most promising one for high power density applications. A planar SOFC consists of two porous ceramic layers (the anode and cathode) through which flows the fuel and oxidant. These ceramic layers are bonded to a solid electrolyte layer to form a tri-layer structure called PEN (positive-electrolyte-negative) across which the electrochemical reactions take place to generate electricity. Because SOFCs operate at high temperatures, the cell components (e.g., PEN and seals) are subjected to harsh environments and severe thermomechanical residual stresses. It has been reported repeatedly that, under combined thermomechanical, electrical and chemical driving forces, catastrophic failure often occurs suddenly due to material fracture or loss of adhesion at the material interfaces. Unfortunately, there have been very few thermomechanical modeling techniques that can be used for assessing the reliability and durability of SOFCs. Therefore, modeling techniques and simulation tools applicable to SOFC will need to be developed. Such techniques and tools enable us to analyze new cell designs, evaluate the performance of new materials, virtually simulate new stack configurations, as well as to assess the reliability and durability of stacks in operation. This research focuses on developing computational techniques for modeling fracture failure in SOFCs. The objectives are to investigate the failure modes and failure mechanisms due to fracture, and to develop a finite element based computational method to analyze and simulate fracture and crack growth in SOFCs. By using the commercial finite element software, ANSYS, as the basic computational tool, a MatLab based program has been developed. This MatLab program takes the displacement solutions from ANSYS as input to compute fracture parameters. The individual stress intensity factors are obtained by using the volume integrals in conjunction with the interaction integral technique. The software code developed here is the first of its kind capable of calculating stress intensity factors for three-dimensional cracks of curved front experiencing both mechanical and non-uniform temperature loading conditions. These results provide new scientific and engineering knowledge on SOFC failure, and enable us to analyze the performance, operations, and life characteristics of SOFCs.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte : les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes : - Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ? - Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ? - Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ? Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium : - Résistance aux contraintes d’origine thermique. - Résistance à la corrosion par les métaux fondus. - Résistance au frottement. L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée. Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations : - Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration : Inasmet). - Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6). Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas : - Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées. - Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu. To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine: - How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties. - How to select individual layers for each group of properties. - How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application. In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations: - Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch). - Presence of corrosive molten metal. - Sliding wear. In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed. For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases: - For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet). - Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6). In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases: - Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits. - A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte :les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes :<p>- Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ?<p>- Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ?<p>- Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ?<p>Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium :<p>- Résistance aux contraintes d’origine thermique.<p>- Résistance à la corrosion par les métaux fondus.<p>- Résistance au frottement.<p>L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée.<p>Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations :<p>- Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration :Inasmet).<p>- Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6).<p>Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas :<p>- Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées.<p>- Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu.<p><p>To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine:<p>- How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties.<p>- How to select individual layers for each group of properties.<p>- How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application.<p>In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations:<p>- Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch).<p>- Presence of corrosive molten metal.<p>- Sliding wear.<p>In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed.<p>For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases:<p>- For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet).<p>- Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6).<p>In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases:<p>- Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits.<p>- A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished